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“A Natureza da Luz: partícula e/ou onda?”
Prof. Dr. Antonio José da Costa FilhoProf. Dr. Antonio José da Costa FilhoGrupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas
Instituto de Física de São CarlosUniversidade de São Paulo
“A Natureza da Luz: partícula e/ou onda?”
Prof. Dr. Antonio José da Costa FilhoProf. Dr. Antonio José da Costa FilhoGrupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas
Instituto de Física de São CarlosUniversidade de São Paulo
Histórico – Uma linha do tempo para a natureza da luz
���� Luz: partícula e/ou onda?
���� Problema bastante complicado!
���� Teorias relativas às propriedades de corpos materiais (mecânica)
���� Luz é uma entidade física imaterial (pelo menos no sentido comum da palavra)
���� Durante muito tempo, estudo da Luz foi subordinado ao da visão.Exemplo: luz entendida como uma emanação do olho que apreenderia o objeto observado do mesmo modo que a mão apreende um objeto.mesmo modo que a mão apreende um objeto.
���� Distinguir luz ( fenômeno objetivo) e visão (fenômeno subjetivo foi um dos primeiros problemas.
���� Einstein (1905): quantum de luz ou fóton
Sabiam os físicos tudo sobre a luz em 1906?
1905: apenas um grande degrau avançado em uma longa história desde 600 a.C. até 2005
Uma linha do tempo para a natureza da luz
Teorias relativas às propriedades de corpos materiais (mecânica)
Luz é uma entidade física imaterial (pelo menos no sentido comum da palavra)
Durante muito tempo, estudo da Luz foi subordinado ao da visão.Exemplo: luz entendida como uma emanação do olho que apreenderia o objeto observado do mesmo modo que a mão apreende um objeto.mesmo modo que a mão apreende um objeto.
Distinguir luz ( fenômeno objetivo) e visão (fenômeno subjetivo – estudo da cor, por exemplo)
Sabiam os físicos tudo sobre a luz em 1906?
1905: apenas um grande degrau avançado em uma longa história desde 600 a.C. até 2005
Antigüidade
500 a.C. Pitágoras: luz é alguma coisa emitida pelo olho.
450 a.C. Empédocles: todas as coisas são compostas por combinações de 4 elementos (fogo, ar, terra e água).“Afrodite teria feito o olho humano a partir dos 4 elementos e então acendido o fogo que sairia do olho tornando a visão possível”. Visão à noite: fenômeno mais complicado.
400 a.C. Demócrito (teoria atômica): luz é “uma impressão no ar devido tanto ao olho quanto ao objeto”tanto ao olho quanto ao objeto”
300 a.C. Euclides: escreveu Optica
Raios de luz emitidos pelo olho se propagam em linhas retasGeometriaResulta nas leis de reflexão em um espelho
400 a.C. Escola de Mohist na China: Propagação linearLeis da reflexão
Até aqui discutia-se somente como a luz era e não a sua natureza !!!!!! Idéias dos filósofos gregos influenciariam o mundo por quase 2 mil anos!!!!
Pitágoras: luz é alguma coisa emitida pelo olho.
Empédocles: todas as coisas são compostas por combinações de 4 elementos (fogo, ar, terra e água).“Afrodite teria feito o olho humano a partir dos 4 elementos e então acendido o fogo que sairia do olho tornando a visão
Visão à noite: fenômeno mais complicado.
Demócrito (teoria atômica): luz é “uma impressão no ar devido tanto ao olho quanto ao objeto”tanto ao olho quanto ao objeto”
Optica (estudo matemático da luz)Raios de luz emitidos pelo olho se propagam em linhas retas
Resulta nas leis de reflexão em um espelho
Escola de Mohist na China: Propagação linearLeis da reflexão
se somente como a luz era e não a sua natureza !!!!!! Idéias dos filósofos gregos influenciariam o mundo por quase 2 mil anos!!!!
Antigüidade
1000 Ibn-al-Haitam ou Alhazen (Cairo):
���� Mudança radical: luz é algo emitido pelo objeto para o olho.
���� Raios do sol (tidos como pequenas partículas viajando em linha reta Lucrécio 55 a.C.) são refletidos pelos objetos para o olho.
���� Luz deveria viajar a uma velocidade alta mas finita.
���� Refração (Ptolomeu 140 d.C. – medida da posição das estrelas indicou que a luz era refratada pela atmosfera) deveria ser causada pela mudança na a luz era refratada pela atmosfera) deveria ser causada pela mudança na velocidade de propagação ao se mudar de meio.
���� Reflexão da luz é como “uma bola na ponta de uma flecha”
Mudança radical: luz é algo emitido pelo objeto para o olho.
Raios do sol (tidos como pequenas partículas viajando em linha reta –Lucrécio 55 a.C.) são refletidos pelos objetos para o olho.
Luz deveria viajar a uma velocidade alta mas finita.
medida da posição das estrelas indicou que a luz era refratada pela atmosfera) deveria ser causada pela mudança na a luz era refratada pela atmosfera) deveria ser causada pela mudança na velocidade de propagação ao se mudar de meio.
Reflexão da luz é como “uma bola na ponta de uma flecha”
Tipo “corpúsculo”
Século XVII
1600 Kepler (Praga):
���� Primeira descrição correta do funcionamento do olho (formação de imagem invertida na retina). Certa descrença já que não enxergamos assim!!!
���� Intensidade da luz de uma fonte varia inversamente com o quadrado da distância entre o observador e a fonte.
���� Erro: luz tinha velocidade infinita.
���� “Na luz, o movimento é ao longo de uma linha reta e o que se ���� “Na luz, o movimento é ao longo de uma linha reta e o que se move é alguma superfície”
���� Aproximação para a lei de refração.Lei dos senos da refração proposta por Thomas Harriot em 1601, mas
não publicada.
���� Descreveu o fenômeno da reflexão interna total.
���� Após o telescópio de Galileu, Kepler propôs um novo design usando 2 lentes convexas. Estudos sobre leis de lentes e formação de imagem.
Primeira descrição correta do funcionamento do olho (formação de imagem invertida na retina). Certa descrença já que não enxergamos assim!!!
Intensidade da luz de uma fonte varia inversamente com o quadrado da distância entre o observador e a fonte.
Erro: luz tinha velocidade infinita.
“Na luz, o movimento é ao longo de uma linha reta e o que se “Na luz, o movimento é ao longo de uma linha reta e o que se Tipo “onda”
Aproximação para a lei de refração.Lei dos senos da refração proposta por Thomas Harriot em 1601, mas
Descreveu o fenômeno da reflexão interna total.
Após o telescópio de Galileu, Kepler propôs um novo design usando 2 lentes convexas. Estudos sobre leis de lentes e formação de imagem.
Século XVII
1621 Snell (Leiden): descobriu a lei de refração e como Harriot não publicou.
1637 Descartés: Publicação em “La Dioptrique” da lei de refração.
Fermat e Descartés achavam ter proposto leis diferentes já que partiam de suposições diferentes (Princípio de minimização do tempo
Descartés: experimento com o olho de um boi morto comprovou a formação da imagem invertida na retina como havia proposto Kepler.
Óptica Geométrica bem estabelecida: reflexão, refração, formação de imagens
Snell (Leiden): descobriu a lei de refração e como Harriot não publicou.
Descartés: Publicação em “La Dioptrique” da lei de refração.
Fermat e Descartés achavam ter proposto leis diferentes já que partiam de suposições diferentes (Princípio de minimização do tempo – Fermat).
Descartés: experimento com o olho de um boi morto comprovou a formação da imagem invertida na retina como havia proposto Kepler.
Óptica Geométrica bem estabelecida: reflexão, refração, formação de imagens
1665 Gregory e Grimaldi (Itália): descoberta de fenômeno de difração nas bordas de sombras e quando luz passava por pequenas aberturas.
“Deixe entrar a luz do sol por um pequeno buraco em uma casa escura e na posição doburaco posicione uma pena. Ela direcionará para uma parede branca ou papel um número de pequenos círculos... Eu ouviria com satisfação as opiniões de Mr. Newton sobre isso” – James Gregory
Século XVII
Gregory e Grimaldi (Itália): descoberta de fenômeno de difração nas bordas de sombras e quando luz passava por pequenas aberturas.
“Deixe entrar a luz do sol por um pequeno buraco em uma casa escura e na posição doburaco posicione uma pena. Ela direcionará para uma parede branca ou papel um número de pequenos círculos... Eu ouviria com satisfação
James Gregory
Século XVII
Último terço do século XVII: período em que desenvolvimentos fundamentais sobre luzsurgiriam devidos principalmente a Newton, Hooke e Huygens.
Hooke e Huygens: teoria ondulatória (desenvolvimento das idéias de Descartés)Newton: teoria corpuscular
Último terço do século XVII: período em que desenvolvimentos fundamentais sobre luzsurgiriam devidos principalmente a Newton, Hooke e Huygens.
Hooke e Huygens: teoria ondulatória (desenvolvimento das idéias de Descartés)Newton: teoria corpuscular
Século XVII
1665 Hooke (Inglaterra): ���� No tratado”Micrographia”, descreveu observações usando microscopia.
���� No mesmo trabalho, descreveu a produção de cores em bolhas de sabão e filmes de óleo, reconhecendo que este fenômeno estava relacionado com a espessura dos filmes, mas não conseguiu estabelecer uma relação definitiva entre espessura e cor.
���� Advogava por uma teoria ondulatória para a luz.
, descreveu observações usando microscopia.
No mesmo trabalho, descreveu a produção de cores em bolhas de sabão e filmes de óleo, reconhecendo que este fenômeno estava relacionado com a espessura dos filmes, mas não conseguiu estabelecer uma relação definitiva entre espessura e cor.
Advogava por uma teoria ondulatória para a luz.
Século XVII1666 Isaac Newton (Inglaterra): descreveu a separação de luz branca em suas componentes
de cores ao passar por um prisma.
���� Quando Newton passou luz branca por���� Quando Newton passou luz branca porcores era produzido.Explicação: luz branca era “corrompida” de alguma
���� Newton conduziu um experimento simplescaminho do feixe de luz colorida, mas comprimeiro.Resultado: feixe de luz branca emergiu do segundoExplicação: apesar da luz passar agora porsido ainda mais “corrompida” → o resultado
Luz branca não era pura como se acreditava, mas composta por diferentes cores que se combinavam para formar o branco.
Isaac Newton (Inglaterra): descreveu a separação de luz branca em suas componentes
por um prisma já se sabia que um espectro depor um prisma já se sabia que um espectro de
alguma forma pelo vidro.
simples: posicionou um segundo prisma nocom esse segundo prisma “ao contrário” do
segundo prisma.um caminho ainda maior no vidro deveria ter
mostrava que isto não acontecia.
Luz branca não era pura como se acreditava, mas composta por diferentes cores que se combinavam para formar o branco.
Século XVII
1669 Erasmus Bartholinus (Dinamarca): descoberta birrefringência em um cristal de calcita.
1672 Newton publica sua teoria das cores (Philosophical Transactions of the Royal Society) e apresenta a idéia de que a luz é composta por
���� Alguns anos antes, Robert Hooke havia publicado uma
���� Hooke: “o que é original no artigo de Newton está errado e o que está correto no artigo foi roubado de mim”.
���� Controvérsia segurou a publicação completa da teoria de Newton para a luz até
1676 Ole Römer (Dinamarca):
tempo entre eclipses da lua Io de Júpiter dependia da época do ano.
medida da velocidade da luz: 225.000 km/s
luz se propaga com velocidade finita: 299.792 km/s
���� Controvérsia segurou a publicação completa da teoria de Newton para a luz até a morte de Hooke em 1703.
Erasmus Bartholinus (Dinamarca): descoberta birrefringência em um cristal de calcita.
Newton publica sua teoria das cores (Philosophical Transactions of the Royal Society) e apresenta a idéia de que a luz é composta por partículas minúsculas.
Alguns anos antes, Robert Hooke havia publicado uma teoria ondulatória.
Hooke: “o que é original no artigo de Newton está errado e o que está correto no
Controvérsia segurou a publicação completa da teoria de Newton para a luz até
luz se propaga com velocidade finita: 299.792 km/s
Controvérsia segurou a publicação completa da teoria de Newton para a luz até
1678 Christiaan Huygens: “Traite de Lumiere”, 1690
���� Luz é transmitida através de um meio (éter) composto por partículas elásticas que serviam como fontes secundárias da onda.
���� Frente de onda (sem conexão com oscilação harmônica)
���� Propagação em círculos a partir da fonte: ondas se reforçam.
���� Explicação de fenômenos como reflexão, refração, etc.
Século XVIIChristiaan Huygens: “Traite de Lumiere”, 1690
Luz é transmitida através de um meio (éter) composto por partículas elásticas que serviam
Frente de onda (sem conexão com oscilação harmônica)
Propagação em círculos a partir da fonte: ondas se reforçam.
Explicação de fenômenos como reflexão, refração, etc.
1704 Isaac Newton: publicação de “Opticks” com a teoria completa da luz e das cores.
���� Explicação das cores (decomposição espectral).
���� Descrição dos anéis de Newton e difração da luz.
���� Para explicar algumas observações, Newton teve que assumir que os corpúsculos de luz criavam ondas no éter.
���� Mas o trabalho dava suporte firme para teoria CORPUSCULAR com o forte argumento de que a luz se propaga em linha reta.
Século XVIII
argumento de que a luz se propaga em linha reta.
���� No final do livro, Newton coloca várias questões“raios de luz são corpos muito pequenos emitidos por substâncias brilhantes?”
Conceito corpuscular triunfa no Século XVIII !!!“Newton estava certo sobre tantas coisas...”
1746 Euler: um dos poucos dissidentes.“Nova theoria lucis et colorum”: teoria ondulatória com fôrte ênfase em difração“The sun is a bell ringing out light”.
Isaac Newton: publicação de “Opticks” com a teoria completa da luz e das
Explicação das cores (decomposição espectral).
Descrição dos anéis de Newton e difração da luz.
Para explicar algumas observações, Newton teve que assumir que os
Mas o trabalho dava suporte firme para teoria CORPUSCULAR com o forte argumento de que a luz se propaga em linha reta.argumento de que a luz se propaga em linha reta.
questões:“raios de luz são corpos muito pequenos emitidos por substâncias brilhantes?”
Conceito corpuscular triunfa no Século XVIII !!!“Newton estava certo sobre tantas coisas...”
“Nova theoria lucis et colorum”: teoria ondulatória com fôrte ênfase em difração
Século XIX1800 Young:
���� Posicionou um aparato com duas fendas na frente de uma fonte puntual de luzObservação de padrão de franjas claras e escuras
���� Luz é oscilação harmônica (teoria ondulatória): franjas claras e escuras diferença de caminho correspondente a número inteiro ou semionda.
���� Explicação dos resultados de Newton: diferentes cores correspondem a diferentes comprimentos de onda.
Luz + Luz = Escuridão
Posicionou um aparato com duas fendas na frente de uma fonte puntual de luzObservação de padrão de franjas claras e escuras
Luz é oscilação harmônica (teoria ondulatória): franjas claras e escuras diferença de caminho correspondente a número inteiro ou semi-inteiro de comprimentos de
Explicação dos resultados de Newton: diferentes cores correspondem a diferentes
Luz + Luz = Escuridão
1814-1820 Fresnel: grande triunfo da teoriafenômenos de difração e interferênciaconhecimento das teorias de Huygens,
Experimento: pequena obstrução no caminho de um feixe de luz
Século XIX
1819 Fresnel concorre e ganha prêmio da Academia Francesa de CiênciasComitê: Arago, Poisson, Biot e Laplace (maioria pela teoria corpuscular).Poisson: teoria de Fresnel prevê um ponto luminoso no centro da sombra de um disco circular
Teoria ondulatória ganha força!!!
teoria ondulatória!!! Rigoroso tratamento dosinterferência (aparentemente sem o
Huygens, Euler e Young).
Experimento: pequena obstrução no caminho de um feixe de luz
Fresnel concorre e ganha prêmio da Academia Francesa de CiênciasComitê: Arago, Poisson, Biot e Laplace (maioria pela teoria corpuscular).Poisson: teoria de Fresnel prevê um ponto luminoso no centro da sombra de um disco circular
Teoria ondulatória ganha força!!!
1823 André-Marie Ampére – associação do magnetismo com o movimento de cargas Os experimentos fundamentais que evidenciaram a presença de um campo magnético quando uma corrente elétrica percorre um circuito foram conduzidos por Oersted em 1820.
1831 Michael Faraday – campos magnéticos variáveis geram corrente elétrica.1840 Introdução do conceito de campos elétricos e magnéticos (linhas de força) em qualquer ponto
de espaço.
Outro lado da história - Eletromagnetismoassociação do magnetismo com o movimento de cargas elétricas.
Os experimentos fundamentais que evidenciaram a presença de um campo magnético quando uma corrente elétrica percorre um circuito foram conduzidos por Oersted em 1820.
campos magnéticos variáveis geram corrente elétrica.Introdução do conceito de campos elétricos e magnéticos (linhas de força) em qualquer ponto
Eletromagnetismo
1862 Equações de Maxwell (unificação de campos elétricos e magnéticos)
Outro lado da história - Eletromagnetismo
No vácuo (livre de cargas e correntes): E e
E e B são ortogonais entre si e à direção de propagação.
Velocidade de propagação: 1/(ε0µ0)1/2 = velocidade da luz
“We can scarcely avoid the inference that light consists in the traverse undulations of the same medium which is the cause of electric and magnetic phenomena” (J. C. Maxwell)
Luz é ONDA eletromagnética
Equações de Maxwell (unificação de campos elétricos e magnéticos)
Eletromagnetismo
e B obedecem equações de onda
E e B são ortogonais entre si e à direção de propagação.
= velocidade da luz
“We can scarcely avoid the inference that light consists in the traverse undulations of the same medium which is the cause of electric and magnetic phenomena” (J. C. Maxwell)
Luz é ONDA eletromagnética
Outro lado da história - Eletromagnetismo
1887 Hertz: Geração e detecção de ondas EM (rádiofreqüência)
���� Descoberta do efeito fotoelétrico.
Previsão de Maxwell: Ondas EM carregam momentum (pressão de radiação) e energia.
Eletromagnetismo
de ondas EM (rádiofreqüência)
Previsão de Maxwell: Ondas EM carregam momentum (pressão de radiação) e energia.
Outro lado da história - EletromagnetismoEletromagnetismo
Século XIX-XX
1880−1926 Desenvolvimento importante no entendimento da luz: mecânica quântica.
1900 Planck: Distribuição espectral de radiação térmica.
���� Previsão clássica: catástrofe do ultravioleta.
���� Descrição precisa da distribuição espectral foi obtida por Planck se valendo da hipótese de que energia eletromagnética poderia ser emitida apenas em múltiplos da quantidade h(quantum de luz).
h: nova constante física (constante de Planck)
Desenvolvimento importante no entendimento da luz: mecânica quântica.
Planck: Distribuição espectral de radiação térmica.
Descrição precisa da distribuição espectral foi obtida por Planck se valendo da hipótese de que energia eletromagnética poderia ser emitida apenas em múltiplos da quantidade hν
h: nova constante física (constante de Planck)
Século XIX-XX���� Planck acreditava que o seu “quanta” era muito mais um truque matemático para resolver o problema da radiação emitida por um corpo negro do que uma realidade física.
Fenômeno Explicação em termos de ondas
Reflexão
Refração
Interferência
Difração
Polarização
Efeito fotoelétrico
Maioria dos fenômenos comumente observados com luz podem ser explicados com teoria ondulatória.
Planck acreditava que o seu “quanta” era muito mais um truque matemático para resolver o problema da radiação emitida por um corpo negro do que uma realidade física.
Explicação em termos de ondas Explicação em termos de partículas
Maioria dos fenômenos comumente observados com luz podem ser explicados com teoria ondulatória.
1887 Hertz: um segundo problema levou à teoria quântica da luz
Quando eletrodos metálicos eram iluminados com luz ultravioleta, a voltagem necessária para produzir faíscas diminuía.
1897 J. J. Thomson: medida e/m do elétron.
1900 Lenard: elétrons (descobertos por Thomson) eram emitidos da superfície do metal quando este era atingido por raios de luz.
Século XIX-XXHertz: um segundo problema levou à teoria quântica da luz → efeito fotoelétrico.
Quando eletrodos metálicos eram iluminados com luz ultravioleta, a voltagem necessária
Lenard: elétrons (descobertos por Thomson) eram emitidos da superfície do metal quando
Determinação da razão carga/massa do elétronDeterminação da razão carga/massa do elétron
Século XX1905 Albert Einstein
���� Explica o efeito fotoelétrico: luz UV é capaz de arrancar elétrons do metal.
1. Elétrons emitidos sem atraso.2. Aumento intensidade de luz, aumentava número de fotoelétrons, mas
não sua energia cinética máxima.3. Luz vermelha de qualquer intensidade não causava emissão.4. Luz violeta fraca ejetava poucos elétrons, mas sua energia cinética
máxima era maior do que aquela obtida com luz intensa de maiores comprimentos de onda.
Na interação radiação-matéria, partícula fornece toda sua energia para o elétron!!! Concordância com a hipótese de
Planck
Explica o efeito fotoelétrico: luz UV é capaz de arrancar elétrons do metal.
Aumento intensidade de luz, aumentava número de fotoelétrons, mas
Luz vermelha de qualquer intensidade não causava emissão.Luz violeta fraca ejetava poucos elétrons, mas sua energia cinética máxima era maior do que aquela obtida com luz intensa de maiores
matéria, partícula fornece toda sua energia para o elétron!!! Concordância com a hipótese de
Século XX
Reação ao trabalho de Einstein
O quantum de luz:
−−−− Explica com sucesso alguns fenômenos misteriosos.
−−−− Mas é incapaz de explicar todos os aspectos ondulatórios da luz como −−−− Mas é incapaz de explicar todos os aspectos ondulatórios da luz como interferência, difração ...
Quantum de luz de Einstein é visto com certo ceticismo pela comunidade de físicos.
Reação ao trabalho de Einstein
Explica com sucesso alguns fenômenos misteriosos.
Mas é incapaz de explicar todos os aspectos ondulatórios da luz como Mas é incapaz de explicar todos os aspectos ondulatórios da luz como
Quantum de luz de Einstein é visto com certo ceticismo pela comunidade de físicos.
Século XX1909 Taylor: experimento com fonte de luz equivalente a “uma vela acesa a uma
distância pouco maior do que 1 milha”
Aumento do tempo de exposição
Taylor: experimento com fonte de luz equivalente a “uma vela acesa a uma
Chapa fotográfica
Aumento do tempo de exposição
Século XX
1916 Millikan: não acreditava na existência de fótons.
Experimentos detalhados envolvendo o efeito fotoelétrico
Perfeita concordância com equação proposta de Einstein!!!
Millikan: não acreditava na existência de fótons.
Experimentos detalhados envolvendo o efeito fotoelétrico
Perfeita concordância com equação proposta de Einstein!!!
Século XX
1921 Prêmio Nobel para Einstein pelo efeito fotoelétrico.
���� Existência do fóton foi aceita.
���� Opinião geral em 1921:
Luz se comporta como partícula quando interage com a matéria.
Luz se comporta como onda quando se propaga.
Dualidade onda
Teoria completa da luz ainda a ser determinada
Prêmio Nobel para Einstein pelo efeito fotoelétrico.
Luz se comporta como partícula quando interage com a matéria.
Luz se comporta como onda quando se propaga.
Dualidade onda-partícula
Teoria completa da luz ainda a ser determinada
Século XXEnquanto isso...
Mecânica Quântica
1910 Muitas evidências experimentais indicavam que átomos contêm elétrons (espalhamento de raios X, efeito fotoelétrico).
Qual a distribuição de cargas positivas e negativas dentro do átomo?
Modelo de Thomson: pudim de passas. Discrepância com espectros experimentais.
1911 Modelo de Rutherford: espalhamento de partículas
Espalhamento em ângulos grandes: “Era tão inacreditável como se você atirasse um obus de 15 polegadas sobre uma pedaço de papel de seda e ele voltasse e nos atingisse.”
Carga +Ze e quase toda a massa concentradas numa pequena região com Z elétrons neutralizando a matéria.
Mecânica Quântica
Muitas evidências experimentais indicavam que átomos contêm elétrons raios X, efeito fotoelétrico).
Qual a distribuição de cargas positivas e negativas dentro do átomo?
Modelo de Thomson: pudim de passas. Discrepância com espectros experimentais.
: espalhamento de partículas α por átomos de Au.
Espalhamento em ângulos grandes: “Era tão inacreditável como se você atirasse um obus de 15 polegadas sobre uma pedaço de papel de seda e ele voltasse e nos
Carga +Ze e quase toda a massa concentradas numa pequena região com Z elétrons
Modelo de Rutherford
Século XX
Adaptado: UFSM
Modelo de Rutherford
“Mini-sistema planetário”
ThomsonRutherford
Problemas com modelo de Rutherford���� Elétrons não poderiam estar em repouso: colapsariam no núcleo
���� Elétrons devem circular em torno do núcleo: emissão de radiação
���� Espectro contínuo emitido em desacordo com o espectro discreto observado.
Radiação emitida está concentrada em um conjunto de comprimentos de onda discretos (linha)
Problemas com modelo de RutherfordElétrons não poderiam estar em repouso: colapsariam no núcleo
Elétrons devem circular em torno do núcleo: emissão de radiação
Espectro contínuo emitido em desacordo com o espectro discreto observado.
Radiação emitida está concentrada em um conjunto de comprimentos de onda discretos (linha)
Adaptado: Profs. Azevedo e Nunes - Aula Lab Fís IV – IFSC/USP - 2004
1913 Modelo de Bohr: órbitas circulares, quantizaçãoemitem radiação nessas órbitas e cálculo(previsão de espectros)
Século XXquantização do momento angular, elétrons não
cálculo da freqüência da radiação emitida
Adaptado: Profs. Azevedo e Nunes – Aula Lab Fís IV – IFSC/USP - 2004
1924 Louis de Broglie: em sua tese de doutorado propôs dualidade ondamateriais.
E = h νννν
(relação grandezas partícula-onda)
h ~ 10-34 Joule.segExemplo: bola de futebol com 10 m/s: λ ~ 10-35
elétron com 100 eV: λ ~ 10-10 m
Somente quando λ é da ordem do tamanho dos obstáculos: ótica física (difração, etc).
Século XX
1925 Heisenberg: princípio da incerteza – há um limite da precisão com a qual podemos medir posição e o momentum de uma partícula.
1926 Erwin Schrödinger: modelo matemático da mecânica quântica baseado em mecânica de ondas de probabilidade.
1927 Davisson-Germer: difração de feixe de elétrons por cristal de Ni colocou a dualidade ondapartícula de partículas materiais em uma firme base experimental.
Nascimento de uma teoria nova e coerente para a matéria:MECÂNICA QUÂNTICA
Louis de Broglie: em sua tese de doutorado propôs dualidade onda-partícula para partículas
λλλλ = h / p
35 m
é da ordem do tamanho dos obstáculos: ótica física (difração, etc).
há um limite da precisão com a qual podemos medir
Erwin Schrödinger: modelo matemático da mecânica quântica baseado em mecânica de
Germer: difração de feixe de elétrons por cristal de Ni colocou a dualidade onda-partícula de partículas materiais em uma firme base experimental.
Nascimento de uma teoria nova e coerente para a matéria:MECÂNICA QUÂNTICA
Século XXMétodo semi-clássico da interação radiação-matéria
campo eletromagnético clássico
1925-1930 Dirac, Jordan, Pauli – aplicação das leis da mecânica quântica ao campo eletromagnético.
Energia do campo monocromático é quantizada.
1950-1970:
���� Método semi-clássico permitia o cálculo de todas as propriedades dos campos.
���� Quantização da luz usada apenas para calcular algumas propriedades da matéria.
Nenhuma evidência direta da existência do fóton quando em propagação livre.
Átomo quântico
aplicação das leis da mecânica quântica ao campo
Energia do campo monocromático é quantizada.
clássico permitia o cálculo de todas as propriedades dos campos.
Quantização da luz usada apenas para calcular algumas propriedades da matéria.
Nenhuma evidência direta da existência do fóton quando em propagação livre.
Século XX1977 Kimble, Dagenais e Mandel:
Beam splitter
Beam splitter divide uma onda em duas partes, mas não pode dividir o fóton em dois.
Semi-clássico: coincidências podem acontecem aleatoriamenteQuântico: coincidência não acontece nunca.
Beam splitter
Beam splitter divide uma onda em duas partes, mas não pode dividir o fóton em dois.
clássico: coincidências podem acontecem aleatoriamente Taxa de coincidência incompatível com semi-clássico!!!
Primeira evidência do fóton livre
Depois de 1977...
Problema encerrado em 1978? Físicos sabiam tudo sobre a natureza da luz?
NÃOExperimentos de interferometria de 2 fótons realizados por Hang, Ou e Mandel (1986) mostraram:
Luz não é uma onda clássica!Luz não é feita de partículas clássicas!
“(...) neither the wave viewpoint nor the particle viewpoint is correct. Usually we have tried to present things accurately, or at least precisely enough that they will not have to be changed when we learn more. But when we try to talk about the wave and particle pictures, both are approximate, and both will change.”
FeynmanFeynman
Luz pode se parecer com onda clássica
Luz pode se parecer com uma partícula clássica
Luz pode se parecer com nada clássico!
Futuro?Descoberta de fenômenos óticos ainda mais estranhos
Breakdown da teoria quântica atual
Problema encerrado em 1978? Físicos sabiam tudo sobre a natureza da luz?
Experimentos de interferometria de 2 fótons realizados por Hang, Ou e Mandel (1986) mostraram:Luz não é uma onda clássica!
Luz não é feita de partículas clássicas!
“(...) neither the wave viewpoint nor the particle viewpoint is correct. Usually we have tried to present things accurately, or at least precisely enough that they will not have to be changed when we learn more. But when we try to talk about the wave and particle pictures, both are approximate, and both will change.” – Richard
FeynmanFeynman
Luz pode se parecer com onda clássica
Luz pode se parecer com uma partícula clássica
Luz pode se parecer com nada clássico!
Futuro?Descoberta de fenômenos óticos ainda mais estranhos
Breakdown da teoria quântica atual
